“不老药”的前世今生系列 之 生命的发电机

电影《变形金刚》剧照

线粒体由双层膜构成，其内膜经过折叠形成为表面积极大的内膜系统。 同时，线粒体内含有环化DNA及独立于细胞核的RNA转录与蛋白质翻译系统，因此线粒体的起源，是一个长期争议的生物学问题。

线粒体科幻图

关于线粒体的起源， 目前主要有两种不同的观点：分化学说和内共生学说。 分化学说认为真核细胞的前身是一种进化上比较高等的好氧细菌，为了满足呼吸的需要，细菌细胞膜开始内陷和分化，并将基因组包裹在双层膜结构中，最终形成了线粒体的雏形。后来进一步进行了分化，形成了具有能量代谢功能的细胞器。与之相反，目前广受支持的内共生学说则认为在十几亿年前，有一种具有吞噬能力的原始真核细胞，先后吞噬了几种原核生物，这些被吞噬的细菌并没有被消化分解，而是在原始真核细胞中生存了下来，最终经过长时间的进化，最终成为宿主细胞内负责能量代谢的细胞器。

线粒体内共生假说示意图

随着光学显微镜和电子显微镜等研究工具的出现和发展，人们对线粒体的认识也在逐渐深入。1857年，瑞士解剖学家及生理学家Albert Koelliker首先在肌肉细胞的细胞质中发现了一种颗粒状结构。1897年，德国科学家Carl Benda观察到这些“颗粒结构”时而呈线状，时而呈颗粒状，因此用希腊语中“线”和“颗粒”对应的两个单词“mitos”和“chondros”，组成“mitochondrion”来命名这种结构，从此这个名称便被一直沿用至今。由于线粒体对于细胞的生理功能至关重要，因此对于线粒体的每一次研究突破都会备受关注，同时也涌现了众多的诺贝尔奖获得者。例如，Otto Heinrich Warburg测定了一氧化碳对呼吸的抑制由光照射而又恢复的作用光谱，发现与氧直接反应的酶是呼吸酶，也就是现在的细胞色素氧化酶。Warburg因为“发现呼吸酶的性质及作用方式”于1931年被授予诺贝尔生理学或医学奖。Hans Adolf Krebs因发现三羧酸循环，揭示了生物体内糖经酵解途径变为三碳物质后，进一步氧化为二氧化碳和水的途径以及代谢能的主要来源。这一发现被公认为代谢研究的里程碑，以他的名字命名为克氏循环（Krebs cycle），并获得了1953年的诺贝尔生理学或医学奖。

Albert Koelliker，Carl Benda，Otto Heinrich Warburg，Hans Adolf Krebs（从左至右）

线粒体与衰老研究的代表性事件

随着线粒体相关研究的不断深入，人们逐渐认识到线粒体异常会影响整个细胞的正常功能，并且与人的疾病密切相关。 许多研究表明，一些常见的衰老性疾病（如帕金森氏症、阿尔兹海默病、糖尿病、肿瘤）以及Leigh综合征和Leber视神经病变等罕见遗传疾病的发生发展均与线粒体功能的异常有关。线粒体功能异常既是疾病的诱因，同时也是疾病发病的早期征兆。

2006年，美国科学家Reddy P. Hemachandra等人以类阿尔兹海默症小鼠进行研究，发现和阿尔兹海默症病人一样，在小鼠的脑中有淀粉样蛋白前体蛋白（APP）的累积，以及由β淀粉样蛋白（Aβ）堆积而形成的斑块。并发现这些Aβ在线粒体的内外部都存在。Reddy博士认为：突变的APP及Aβ破坏了线粒体的正常功能，使得Aβ的累积而促使病况恶化。这种恶性循环造成脑细胞不断受到破坏。因此， 维持或保护线粒体的正常功能，可能是延缓或阻止阿尔兹海默症的治疗方法。

Maria Manczak, et al. Human Molecular Genetics 2006 May 1;15(9):1437-49.

2014年，比利时神经科学家Vanessa A. Morais发表在Science上的文章在Pink1基因缺陷的果蝇和小鼠中研究了Pink1、线粒体与帕金森病之间的联系。Pink1基因的缺陷使模式动物出现了帕金森病的一些症状，导致了线粒体蛋白复合体Complex I无法适当磷酸化，从而造成能量生成的减少。当确保Complex I发生正常磷酸化时，小鼠及患者干细胞中的帕金森病表型明显减轻或消失。 这一研究提示了维持线粒体的正常功能及保证细胞能量的生成，对与治疗帕金森病可能具有重要意义。

Vanessa A. Morais, et al. Science 2014 Apr 11;344(6180):203-7

2015年，耶鲁大学Gerald I. Shulman研究团队对平均年龄为69岁的非吸烟健康老年人进行了口服葡萄糖测试并检测了他们肌肉细胞中的脂质含量，发现老年个体的血糖浓度和肌肉细胞脂质含量都显著高于年轻个体。给予胰岛素刺激后，研究人员对线粒体内两种关键代谢酶的催化速率变化进行检测，发现 老年人肌肉线粒体葡萄糖代谢的能力下降，而这可能是导致衰老相关的2型糖尿病发生和葡萄糖耐受性损伤的重要原因。

Kitt Falk Petersen, et al. PNAS 2015 Sep 8;112(36):11330-4

近日，Zhenglong Gu研究团队通过对903名自闭症谱系障碍（ASD）儿童及其未患病的兄弟姐妹、父母进行了线粒体DNA测序分析，发现ASD儿童相比于其他家庭成员携带了更多的线粒体DNA突变，作者认为这些潜在的有害突变可能与患病儿童的低智商及其神经发育问题有关。除此之外， 越来越多的研究都发现很多神经系统发育相关疾病都与线粒体DNA的突变有关，进一步说明线粒体在人类疾病发生过程中扮演的重要角色。

Yiqin Wang, et al. Plos Genetics 2016 Oct 28;12(10):e1006391

衰老是一种复杂的病理生理现象，主要表现为机体功能的显著下降。大量研究表明， 线粒体功能异常与人类衰老进程密切相关，线粒体也被称为“衰老的生物钟”。

2016年，Nuo Sun等在著名学术期刊Molecular Cell上发表综述，强调线粒体在细胞老化、慢性炎症以及干细胞功能维持等方面的重要作用，以及线粒体未正确折叠蛋白反应与细胞自噬之间的调控关系。文章提示， 通过调节线粒体参与的信号调控通路，可能有助于延长人类的寿命。

Nuo Sun, et al. Molecular Cell 2016 Mar 3; 61(5):654-66

其实早在1972年，Harman已经猜测线粒体是驱动衰老生物钟的核心部件，并提出了 “线粒体衰老学说” ，即细胞线粒体自由基损伤的累积导致机体的衰老。1995年发表在Nucleic Acids Research的一篇文章指出，40岁以下人骨骼肌的线粒体DNA突变发生率非常低，而50岁以上线粒体DNA则发生广泛的突变。这些研究提示，衰老伴随着线粒体DNA突变的增加，尤其在脑和肌肉等高氧耗的组织中表现更为突出。卫生部北京老年医学研究所杨泽教授曾对广西巴马长寿老人线粒体基因组序列进行测定，发现线粒体DNA 4824A/G位点随年龄增加突变频率逐渐提高，且对照人群样本突变率明显高于长寿人群。此外，中国科学院昆明动物研究所的孔庆鹏研究员通过对长寿家系线粒体DNA研究发现40到70岁人群的线粒体DNA拷贝数随着衰老而降低，然而九十岁以上的健康长寿人群线粒体DNA拷贝数水平不仅没有降低反而显著高于普通老年人群，提示线粒体功能的维持可能是其保持健康、获得长寿的关键所在。

Simon Melov, et al. Nucleic Acids Res 1995 Oct 25;23(20):4122-6 (左)；He Yonghan, et al. Neurobiology of Aging 2014 Jul;35(7):1779.e1-4 (右)

2004年，Larsson研究团队通过基因编辑的方法使小鼠线粒体DNA聚合酶的校正功能缺失，从而加速了mtDNA突变速度。这种mtDNA聚合酶缺陷小鼠出现体重减轻、皮下脂肪减少、脱毛病、脊柱后突骨质疏松、繁殖能力降低、贫血等早衰现象。

Aleksandra Trifunovic, et al. Nature. 2004 May 27;429(6990):417-23.

线粒体“超氧炫”现象是指，单个线粒体内超氧阴离子自由基的自发的、爆发性的生成。目前的研究发现细胞内线粒体超氧炫的频率与线粒体呼吸、ATP合成、钙信号、基础活性氧水平等紧密相关，那么线粒体超氧炫与细胞和机体衰老存在着怎样的关系呢？2014年，北京大学分子医学研究所程和平实验室与北京生命科学研究所董梦秋实验室在Nature杂志联合发文，报道了线粒体的“超氧炫”频率可以预测线虫的寿命，他们发现线虫成虫第三天咽部肌肉细胞的超氧炫频率可以准确反映基因、环境和随机因素对线虫寿命的影响，这一结果也意味着在动物机体功能最旺盛的时候，衰老的速度在相当大程度上已经决定了， 这一研究证明了衰老是生物体程序调控的过程，与线粒体的功能活动密切相关。

Shen Enzhi, et al. Nature 2014 Apr 3;508(7494):128-32

2015年Christopher D. Wiley等在Cell Metabolism上文章指出除了细胞生长停滞，β-半乳糖甘酶活性增加以及核纤层蛋白B减少外，线粒体功能障碍也是一个衰老的标志。作者认为线粒体功能障碍（MiDAS）是由于NAD+/NADH比例减少从而引起细胞生长停滞，抑制了炎性因子的分泌，MiDAS会分泌出一些蛋白质，从而引起的一种不同于基因毒性应激引起的衰老表型。

Suchira Gallage, et al. Trends in Biochemcal Sciences 2016 Mar;41(3):207-9

2016年，美国加州大学伯克利分校Andrew Dillin实验室发表在Cell杂志上的文章指出，线粒体应激会通过组蛋白H3K9二甲基化标记引起染色质结构发生大范围改变，虽然这些甲基化标记会导致染色质发生全局性基因表达沉默，但是仍有小部分染色质保持开启状态直至成年。说明生物体在线粒体应激状态下，通过特定的表观遗传修饰允许特定基因表达，从而使其寿命得以延长。同期，Cell Research杂志也发表了北京大学刘颖课题组关于细胞非自主性线粒体非折叠蛋白反应机制的研究，该研究揭示了神经系统在诱导细胞非自主性线粒体非折叠蛋白反应和调控寿命等过程中的重要性。

Ye Tian, et al. Cell 2016 May 19;165(5):1197-208

线粒体被称为衰老的生物钟，在衰老过程中其核心作用已被生物医学界广泛认同。 线粒体衰老相关的研究也已成为科学界研究的热点。衰老线粒体功能改变使电子传递出现障碍，从而使线粒体内活性氧（ROS）生成增多，ROS 的增多又进一步加剧线粒体的损伤，从而形成 ROS恶性循环，导致线粒体ATP合成障碍，终归于加速衰老的形成和发展。那么，维持线粒体的正常功能是否能够延缓机体的衰老进程呢？

健康与衰老的线粒体

随着机体的衰老受损伤的线粒体会大量积累，不利于细胞的生存和正常功能的发挥。在长期进化过程中，细胞进化出能选择性清除受损伤线粒体的系统，从而有效监控线粒体，保证细胞生存和正常活动，而这一线粒体质量控制的过程是由线粒体自噬（Mitophage）来完成的。2012年，中国科学院动物研究所陈佺研究组发表在Nature Cell Biology杂志上的文章报道了一个新的介导哺乳动物细胞线粒体自噬的受体分子Fundc1。它定位在线粒体外膜上，通过与自噬的关键分子LC3相互作用，介导低氧诱导的线粒体自噬。这一研究结果为线粒体自噬和线粒体质量控制提供了新的认识，并为进一步阐明线粒体自噬在疾病发生中的作用提供了新的可能。

Liu Lei, et al. Nature Cell Biology 2012 Jan 22;14(2):177-85

近日，来自加州理工学院和加州大学洛杉矶分校的研究人员通过基因工程的手段使果蝇翼肌中mtDNA在青年时期突变，通过促进自噬基因的活性而选择性地清除了突变的线粒体。这一作用有效消除了细胞的代谢缺陷，使细胞恢复至年轻的状态。该研究于2016年11月发表在Nature Communications杂志上，为科学家寻找特异性清除损伤线粒体的相关药物提供了线索。

Nikolay P. Kandul, et al. Nature Communications 2016 Nov 14;7:13100. doi: 10.1038/ncomms13100

尽管科学家们还没有找到能特异性针对线粒体功能障碍的特效药，但是随着研究的不断深入，人们提出了其他潜在的治疗方法。2014年，复旦大学脑科学研究院朱剑虹课题组发表在Cell上的文章指出，用极体中的遗传物质代替胞浆内的遗传物质，在两种不同线粒体遗传背景的小鼠之间进行线粒体置换研究，结果显示通过第一极体置换产生的子代小鼠体内仅含卵胞浆供体小鼠的线粒体，在最大程度上避免了异质线粒体DNA。该研究证明了极体的优越性及潜在的临床应用价值。

Wang Tian, et al. Cell 2014 Jun 19;157(7):1591-604

2015年SALK研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte的一项合作研究指出，利用线粒体DNA突变患者皮肤中的成纤维细胞，通过细胞因子介导的重编程和体细胞核转移(SCNT)这两种方法，可以获得健康的多能干细胞，从而恢复线粒体的正常代谢功能。同年，该课题组在Cell发文称首次成功使用基因编辑技术阻止了与多种人类线粒体疾病相关的突变线粒体DNA从小鼠母亲处传递给后代。该技术利用了TALEN的DNA切割酶来直接纠正线粒体的突变DNA，使靶线粒体DNA的水平降低到了触发线粒体疾病的阈值以下，该技术也为防治线粒体疾病提供了新的可能。